11-12++非晶态半导体
微电子技术中的半导体薄膜材料
微电子技术中的半导体薄膜材料摘要：本文着重介绍了用于微电于技术的非晶态、宽带隙、纳米相、超晶格、量子微结构以及多孔硅等半导体薄膜材料并指出，原子组态的无序化，材料禁带的宽带隙化，能带剪裁的任意化以及人工结钩的低维化和量子化，集中体现了半导体薄膜材料的发展特点。
关键词：薄膜材料，结构性质，发展特点1 引言薄膜材料是发展微电子技术的先导条件和制造微电子器件的物质基础，近半个世纪以来，随着各种成膜方法的长足进步，半导体薄膜材料从体单晶到非晶态，从非晶态到纳米相，从窄禁带到宽带隙，从常规制备到人工设计，涌现出了一大批高质量和有重要实用价值的新材料。
目前，关于半导体薄膜材料物理与工艺的研究，已成为真空、微电子和材料科学中一个极其活跃的领域[1]。
半导体薄膜材料研究的核心为新材料的研究和传统材料性能的提高。
前者是按照人为的意志构想新的结构形式和设计新的化学组分，并通过现代超薄层外延技术加以实现；后者则是利用适宜的工艺方法改变材料的微观结构，使其呈现出常规材料所不具有的全新原子组态。
2 不同结构类型的半导体薄膜材料2.1 非晶态材料非晶态半导体是一门在凝聚态物理领域中占据着重要地位且发展十分迅速的新兴学科，研究非晶态材料的意义不仅是在科学技术上获得大量的新材料和新器件，而且可以开拓和加深人们对固体物理领域中许多基本问题的认识与理解。
以促进固体物理学的发展，同时对其许多周边物质，如非晶态合金及多层异质结、超微粒子、多孔硅以及硅系高分子等的研究也将产生积极而深远的影响。
原子结构的无序性和化学组分的多样化，使非晶态半导体具有许多显著不同于晶态半导体的物理特性[2]。
对于大多数非晶态材料而言，其组成原子都是由共价键结合在一起，形成了一种连续的共价键无规网络结构；在非晶态半导体中可以实现连续的物性控制，当连续改变其化学组成时，其禁带宽度、电导率和相变温度等都随之连续变化；在热力学上，非晶态处于一种亚稳状态，仅在一定条件下才可以转变成晶态；此外，非晶态材料的结构特性、电学及光学性质都灵敏地依赖制备方法与工艺条件。
非晶态材料的制备课件
20世纪末至今
随着科技的发展，非晶态 材料的应用领域不断扩大 ，成为材料科学领域的重 要分支。
02
非晶态材料的制备方法
气相沉积法
物理气相沉积法
利用物理方法（如真空蒸发、溅射等 ）将材料从固态转化为气态，然后沉 积在基底上形成非晶态薄膜。
化学气相沉积法
通过化学反应将气态前驱体转化为非 晶态材料，通常需要在较高的温度和 压力下进行。
燃料电池
非晶态材料可以作为燃料电池的电极材料，提高 电极的催化活性和稳定性。
储能电池
非晶态材料具有较高的能量密度和快速的充放电 能力，可用于制造高能电池。
在电子信息领域的应用
集成电路
非晶态材料具有优良的导电性和稳定性，可以用于制造集成电路 中的金属导线。
电子器件
非晶态材料可以用于制造电子器件的电极和半导体层，提高器件性 能和稳定性。
绿色可持续发展
在非晶态材料的制备过程中，需要关 注环保和可持续发展，开发低能耗、 低污染的制备方法，以实现绿色生产 。
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非晶态材料内部原子排列相对较 为规整，存在一定的短程有序结 构，这使得非晶态材料具有一定
的物理和化学性能。
无明显的界面
非晶态材料内部原子排列较为连 续，没有明显的界面或晶界存在 ，这使得非晶态材料在某些方面
具有更好的性能。
04
非晶态材料的应用前景
在新能源领域的应用
太阳能电池
非晶态材料可以用于制造高效、低成本的太阳能 电池，提高光电转换效率。
非晶态材料的应用领域
01
02
03
机械工程
用于制造耐磨、耐腐蚀的 零部件，如轴承、齿轮等 。
电子工程
用于制造电子元器件，如 非晶态金属薄膜、非晶态 半导体等。
半导体材料的分类_及其各自的性能
其中晶态半导体又可以分为单晶半导体和多晶半导体。
上述材料中，锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶，是由均一的晶粒有序堆积组成；而多晶则是由很多小晶粒杂乱地堆积而成。
对于非晶态半导体，有非晶态硅、非晶态锗等，它们没有规则的外形，也没有固定熔点，内部结构不存在长程有序，只是在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列，称作短程有序。
另外，在实际应用中，根据半导体材料中是否含有杂质，又可以将半导体材料分为本征半导体和杂质半导体。
在下面的章节中将会介绍，杂质的存在将对材料的性能产生很大的影响。
二. 半导体材料的结构及其性能1.几种半导体材料的结构1.1金刚石结构型材料Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是 4。
方向性是指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。
共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28′，这种正四面体称为共价四面体，见图 1.2。
图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。
单纯依靠图1.2那样的一个四面体还不能表示出各个四面体之间的相互关系，为充分展示共价晶体的结构特点，图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞，整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。
它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子。
金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移 1/4 对角线长度套构而成的。
非晶态半导体
安德森近似地假设其体系的哈密顿算符
Hˆ En n n V n m
n
nm
式中对m求和是指对n最邻近的格点求和，En是随格点不同而变的。在理想周期势场 中，即没有叠加无规势场时，式中En= E0，为一常数。安德森提出了一个区分扩展 态和定域态的定义：假设一个电子在t=0时处在n格点处的某个态中，由于第二项微
使整个电池的光谱响应接近与太阳光光谱，如图所示， 具有这样结构的
太阳能电池称为叠层电池。理论值可以达到68% 。
理论值
43%
双结 三结
理论值 49%
2008年United Solar公司在Julich 研究中心测试三 结的效率超过 15%
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轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小， 如果用两边都是轻掺杂的或一边是轻 掺杂的另一边用重掺杂的材料，则能 带弯曲较小，电池的开路电压受到限 制；如果直接用重掺杂的p+和n+材料 形成p+-n+结，那么，由于重 掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高， 少子寿命低，电池的性能会很差。
p a–Si - i a–Si - n μc–Si结构
电子在非晶硅中的扩散长度 为10μm，空穴在非晶硅中 的扩散长度为1μm
技术路线图
p a-Si-i a-Si-n μc -Si结构中，p a-Si和μc –Si的厚度大约为 10nm，但是10nm p a-Si会吸收掉20%左右的入射光，削 弱电池对短波长光的响应，限制了短路电流的大小，因 此使用宽带隙透明的非晶碳化硅膜代替p a-Si作窗口层， 此外它还可以通过内建电势的升高提高开路电压。
技术路线图
微晶硅有较高的掺 杂效率，在同样的 掺杂水平下，其费 米能级远离带隙中 央的程度比非晶硅 高。另一方面，微 晶硅的带隙不会因 为掺杂而有明显的 降低，因此用微晶 硅做太阳能电池的 接触层，既可减小 串联电阻，也可增 加开路电压.
(完整版)半导体材料及特性
地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。
硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。
元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。
中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。
采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。
以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。
半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。
按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。
元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。
C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。
P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。
As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。
B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。
因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。
Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。
无机化合物半导体：四元系等。
二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。
②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。
它们都具有闪锌矿结构,它们在应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。
半导体材料有哪些元素
半导体材料有哪些元素半导体（ semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。
半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。
如二极管就是采用半导体制作的器件。
半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。
无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。
今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。
锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。
除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
具有半导体特性的元素，如硅、锗、硼、硒、碲、碳、碘等组成的材料。
其导电能力介乎导体和绝缘体之间。
主要采用直拉法、区熔法或外延法制备。
工业上应用最多的是硅、锗、硒。
用于制作各种晶体管、整流器、集成电路、太阳能电池等方面。
其他硼、碳（金刚石、石墨）、碲、碘及红磷、灰砷、灰锑、灰铅、硫也是半导体，但都尚未得到应用。
在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体，其中C表示金刚石。
C、P、Se 具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。
P的熔点与沸点太低，Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。
As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。
B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。
因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。
第1章-非晶硅薄膜及非晶硅薄膜太阳电池
艾斌 博士 副教授
中山大学太阳能系统研究所
Institute for Solar Energy System
第一章 非晶硅薄膜以及非晶硅薄膜太阳电池 §1-1 非晶态半导体物理基础 §1-2 非晶硅薄膜太阳电池基础知识 §1-3 非晶硅薄膜太阳电池生产线及制造工艺
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理论上： 1957年，Anderson 定域化理论。 60年代，Mott-CFO 能带模型（Cohen, Fritzsche, Ovshinsky）。 1977年，Mott，Anderson 获诺贝尔奖。
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电导激活能的变化说明了材料的费米能级随着掺杂 浓度的变化而被调制，表明确实可以对非晶硅进行 掺杂以控制它的导电类型和导电能力。
3. 非晶硅薄膜的制备
非晶硅薄膜的制备技术有很多，包括辉光放电等离子 体增强化学气相沉积（PECVD），热丝化学气相沉 积（HWCVD）和电子回旋共振等离子体化学气相淀 积（ECRCVD）技术等。其中最常用的是PECVD方 法。典型的PECVD装置由高频电源，反应腔体系
5. 结构分析方法
5.1 a-Si:H 红外吸收谱
振动模式分两类: 成键原子之间有相对位移。 键长有变化——伸缩模 （stretch）; 键角有变化——弯折模 （bend）. 成键原子之间无相对位移。 摆动（wag）; 滚动（rock）; 扭动（twist）.
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统，样品传输系统，真空抽气系统和反应气体流量控 制系统等几部分组成 。
材料制备技术 7.3非晶态材料的制备
非晶态材料的应用
形状记忆合金
20世纪60年代初，美国马里兰州海军军械研究所的 科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。这些合金丝弯 弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。 但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发 生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来 弯弯曲曲的形状。
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非晶态材料的特性
4.超导电性 由于超导合金较脆，不易加工成磁体和传输 导线。1975年Duwez首先发现La-Au非晶态合 金具有超导性，后来又发现了许多其他非晶 态超导合金。
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非晶态材料的特性
5. 非晶半导体的光学性质
非晶态半导体可分为离子型和共价型两大类。一类 包括卤化物玻璃、氧化物玻璃，特别是过渡金属 氧化物玻璃。另一类是元素半导体。如非晶态 Si、 Ge等。这些非晶态半导体呈现出特殊的光性质。
制备非晶态材料的技术关键是：（1）必须形 成原子或分子混乱排列的状态；（2）将这种 热力学亚稳态在一定温度范围内保存下来， 并使之不向晶态发生转变。
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非晶材料的制备原理和方法
非晶态材料的制备方法： 1. 粉末冶金 制备非晶态材料的早期方法。首先用急冷 法获得非晶粉末，然后用粉末冶金方法将粉 末压制或粘结成型。 粉末冶金技术中的许多问题限制了该法 的应用。
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非晶材料的制备原理和方法
（4）压延法 压延法又称双辊法，将金属液流经石英管 底部小孔喷射到一对高速旋转的辊子之间而 形成金属玻璃条带。 由于辊间有一定的压力，条带从两面冷 却，并由良好的热接触，故条带两面光滑， 且厚度均匀。 但此法工艺要求非常严格。
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非晶态半导体)
非晶态半导体具有半导体性子的非晶态材料。
非晶态半导体是半导体的一个重要部门。
50年代B.T.科洛米耶茨等人开始了对硫系玻璃的研究，当时很少有人注重，直至1968年S.R.奥弗申斯基有关用硫系薄膜建造开关器件的专利发表往后，才导致许多人对非晶态半导体的兴趣。
1975年W.E.斯皮尔等人在硅烷辉光放电分化制备的非晶硅中实现了掺杂效应,使节制电导和制造PN结成为可能,从而为非晶硅材料的应用斥地了广漠的远景。
在理论方面，P.W.安德森和N.F.莫脱成立了非晶态半导体的电子理论，并因而荣获1977年的诺贝尔物理学奖。
今朝无论在理论方面，还是在应用方面，非晶态半导体的研究正在很快地成长着。
分类今朝首要的非晶态半导体有两大类。
①硫系玻璃。
含硫族元素的非晶态半导体。
例如As-Se、As-S，凡似的制备要领是熔体冷却或汽相沉积。
②东南西北体键非晶态半导体。
如非晶Si、Ge、GaAs等,此类材料的非晶态不能用熔体冷却的措施来获患上,只能用薄膜淀积的措施（如蒸发、溅射、辉光放电或化学汽相淀积等），只要衬底温度足够低，淀积的薄膜就是非晶态结构。
东南西北体键非晶态半导体材料的性子，与制备的工艺要领和工艺前提密切相干。
图1给出了不同制备工艺的非晶硅光吸收系数谱,其中a、b制备工艺是硅烷辉光放电分化,衬底温度分别为500K和300K，c 制备工艺是溅射，d制备工艺为蒸发。
非晶硅的导电性子和光电导性子也与制备工艺密切相干。
其实,硅烷辉光放电法制备的非晶硅中,含有大量H,有时又称为非晶的硅氢合金;不同工艺前提,氢含量不同,直接影响到材料的性子。
与此相反,硫系玻璃的性子与制备要领关系不大。
图2给出了一个典型的实例，用熔体冷却和溅射的措施制备的As2SeTe2样品，它们的光吸收系数谱具有不异的曲线。
非晶态半导体的电子结构非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构，也有导带、价带和禁带（见固体的能带）。
材料的基本能带结构首要决定于于原子附近的状况，可以用化学键模子作定性的诠释。
第二章晶态和非晶态
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（１）向列相（型）nematic液晶
分子的重心在空间是随机分布的，但分子的长 轴沿一个方向排列是液晶称为相列型液晶。目前 生产显示品的液晶材料主要是向列型液晶；
（２）近晶相（型）smectic液晶
近晶相液晶分子呈层状排列，具有二维空间规 则性，层内分子长轴大致垂直于层面方向，质心 无序，分子间作用力强于层间作用力。特点是粘 度大，不得于作显示器材料。这种液晶多用于光 记忆材料；
非晶体如玻璃体在从液相冷却时，形成的 固体表面圆滑，没有固定的外形。
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４、晶体的熔点
晶体在受到热作用时，温度升高，组成晶体 的点阵上的原子或原子团而因振动加剧，当此振 动的能量（平动和转动）达到晶格能（晶格对原 子的束缚）时，晶体的结构被破坏，晶体开始熔 化。因晶体中各原子所处的环境相同，所以熔化 的温度也相同。所以晶体有一定的熔点，即在一 特定的温度下完全熔化。而非晶体由于各质点的 环境不同，原子或原子团所受的约束力不同。受 约束力小的部分在较低温度下开始熔化，而受约 束力大的部分此时仍不能自由运动，以固体形态 存在。
晶子学说：认为玻璃由无数“晶子”组成，带有点 阵变形的有序排列区域，这些晶子分散在无定形介 质中，晶子区到无定形区无明显界限。
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⑵玻璃的特性
①没有固定的熔点：当对玻璃加热时，只有一个 从玻璃态转变至软化的连续变化的温度范围；
②各向同性：由于结构上的特点，玻璃在力学、 光学、热学等中表现各向同性；
但是在非晶态固体中存在着短程有序，即在 每个粒子的近邻的排列有规则性，在这个小范围 内较好地保留了相应的晶态材料中的配位状况。
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非晶态物质的本质和特性
非晶态物质的本质和特性由于非晶态物质在众多行业与科学领域的应用较为广泛，因此目前非晶态物质研究与发展现状中凸显一些问题，对非晶态物质的研究与发展产生了制约，本文对非晶态物质进行概述，并分析了非晶态物质的本质与特性，为解决目前非晶态物质研究发展中的问题，提高非晶态物质的应用率，加快与非晶态物质息息相关的其他行业以及科学领域的发展提供了科学借鉴，对促进我国科技与经济的发展具有重要意义。
1 非晶态物质概述概念：非晶态物质即非晶体的物质，非晶态物质的内部分子或原子的三维空间排列结构没有明显的周期性，常见的非晶体物质有松香、玻璃等。
非晶体物质与晶体物质相比其自然形态不能形成多面体外观，没有固定的熔点，各向同性――物理性质不会随着宏观测定方向改变。
应用：由于非晶体物质的特性其在生产与生活中应用广泛，主要包括三个方面，第一非晶态金属物质材料应用，与晶体金属相比非晶态金属具在电磁、力学、化学等方面具备优良的性能，其耐磨与抗腐蚀性能优异，硬度与强度高、磁道性好、正被广泛应用于电子元器件、储备器皿制造、高功率器材和传感器件制造等领域[1] 。
第二，玻璃类非晶态物质材料应用，目前一番展出全新的特种玻璃制造与应用行业。
第三，非晶态半导体材料应用领域，目前非晶态半导体材料已经广泛应用于太阳能电池制造、光盘制造、薄膜晶体管制造与传感器制造等领域。
2 非晶态物质的本质首先，非晶态物质是一种新型结构物质，日常生活中许多常见物质都属于非晶态物质，如常见的类似于玻璃塑料等一些高分子聚合物的物质。
非晶态物质近年来发展较快[2] ，关于非晶态物质的本质，曾经一些科学家试图从非晶态物质发展的时间、非晶态物质结构、非晶态物质能量以及非晶态物质性能等方面进行阐述与定义，但单纯的从任何角度都不能全面的阐述非晶态物质的本质。
从非晶态物质的能量上来看，非晶态物质较同成分物质的能量要高出许多，非晶态物质的自由能量也要比其他相同成分的晶态物体要高出很多，因此非晶态物质能量与结构都处于不稳定状态，与时间有着密切的联系，会随时间的变化而改变，同时也会随着外界温度和压强的变化发生相应的变化。
半导体材料介绍
《功能材料论》论文--半导体材料介绍班级：09050102学号：28姓名：李华林半导体材料介绍学号：0905010228姓名：李华林摘要：本文主要介绍半导体材料的发展、分类、一些特性参数和制备工艺以及半导体材料在生活中的应用。
半导体在我们的日常生活中应用很广泛，半导体材料的一些结构和参数决定了它的特性。
以非晶硅a-Si:H为例，它就是一种半导体材料中的非晶态半导体，其结构和性能决定了它在制作太阳能电池方面的应用。
现在人们现在研究了有关它的一些性质，并研究和改善它的一些缺点，例如疲劳效应、载流子的寿命短和扩速长度小等。
关键词：半导体材料；导电能力；载流子；电阻率；电子；空穴；薄膜。
半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。
半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。
半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。
按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、二元化合物半导体、多元化合物半导体和非晶态半导体与有机半导体。
半导体的发展与器件紧密相关。
可以说电子工业的发展的半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大动力；而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化了半导体器件的性能。
1941年用多晶硅制成检波器，是半导体材料的开始，1948-1950年用切克劳斯基法成功拉出了锗单晶，并用它制成了世界第一个具有放大性能的锗晶体三极管。
1951年用四氯化硅锌还原法制出了多晶硅；第二年用直拉法成功的拉出了世界上第一根硅单晶；同年制出了硅结型晶体管，从而大大推进了半导体材料的广泛应用和半导体器件的飞速发展。
60年代初，出现了硅单晶薄层外延技术，特别是硅平面工艺和平面晶体管的出现，以及相继出现的硅集成电路，对半导体材料质量提出了更高的要求，促使硅材料在提纯、拉晶、区熔等单晶制备方法方面进一步改进和提高，开始向高纯度、高完整性、高均匀性和大直径方向发展。
半导体材料相关知识介绍
半导体材料（semiconductor material）导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。
半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电阻率在10（U-3）~10（U-9）欧姆/厘米范围内。
半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。
正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。
半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。
半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。
1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。
50年代，锗在半导体中占主导地位，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代。
用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。
因此，硅已成为应用最多的一种增导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。
2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。
它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。
其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。
碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。
3.无定形半导体材料用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。
这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。
4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。
特性和参数半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。
纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。
在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。
这种掺杂半导体常称为杂质半导体。
第四章-非晶态固体
二、非晶态金属
➢ 高的硬度和韧性，优异的耐腐蚀性，低 损耗非晶磁性材料。主要非晶态金属和合 金的结构模型。
➢ 非晶态合金统称“金属玻璃”。以极高 的速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的 合金呈玻璃态，呈长程无序状态。
三、玻璃
玻璃的结构：由硅酸盐矿物、氧化物等经加热、 熔 融、冷却成的 一种无定形固态。
为了表示硅酸盐玻璃的网络结构特征和便于比较玻璃的性质， 引入玻璃的四个结构参数。
Z = 每个多面体中氧离子平均总数
(硅酸盐和磷酸盐玻璃中为4，硼酸盐玻璃中为3)
R＝ 玻璃中氧离子总数与网络形成离子总数之比
X＝ 每个多面体中非桥氧离子平均数
Y＝ 每个多面体中中桥氧离子平均数
参数间的关系：
X Y Z
➢ 转变温度范围微观过程：是一个结构重排过 程。结构灵敏的性能都出现明显的连续反常 变化，与晶体熔融时的性质突变有本质的不 同。
熔融态与玻璃态转变时，物理、化学性质随温度变化的连续性
性
质
Tg
Tf 温度
第一类性质：玻璃的电导、比容、粘度等
第二类性质：玻璃的热容、膨胀系数、密度、折射率等
第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等，在Tg~Tf转 变范围内有极大值的变化。
2、碱金属和碱土金属硅酸盐玻璃
➢出现非桥氧离子，二元中，当加人RO、 R2O直到SiO2:RO(或R2O)=1:1以前，结构 中硅氧网络依然存在，还能形成玻璃。加 RO，R2O到RO(R2O):SiO2=2:1以后，网络 被破坏越甚，加入越多，玻璃的核化晶化 速率也越快，形成玻璃就越困难。
2、玻璃的结构参数
硼酸盐玻璃
➢ B2O3是硼酸盐玻璃中的主要玻璃形成体。B平 均与三个氧配位，B2O3构成[BO3]3-三角体结构，BO-B键角120o，是平面三角形，形成层状结构，B －O间距为0.137nm，在同一层内B－O很强，而层 与层之间由分子键相连，层与层之间结合力弱，所 以B2O3玻璃的一些性能比SiO2玻璃要差。
第3章 非晶态材料的基本概念
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3.1.3 非晶态材料的特性
1. 高强度、高韧性
许多非晶态金属玻璃带，即使将它们对折，也不会产 生裂纹。 对于金属材料，通常是高强度、高硬度而较脆，然而 金属玻璃是两者兼顾，不仅强度高、硬度高，而且韧 性也较好。
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• 此外，镧系稀土金属和后过渡金属组成的二元系的共
晶点也很低，在共晶成分附近也能获得非晶态，其中
多数是富稀土合金，如 La-Au18-26, La78Ni22, Gd-Fe3250, Er68Fe32, Gd-Co40-50……
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(3) IIA族金属的二元或多元合金
• Ca-Al12.5-47.5, Ca-Cu12.6-62.5, Ca-Pd, Mg-In25-32, Be-Zr50-70, Sr70Ge30, Sr70Mg30……这类合金形成 非晶态的成分范围非常广。
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❖ 其他的金属玻璃和镍基、钴基非晶态合金也都有 极佳的抗腐蚀能力。
❖ 利用非晶态合金几乎完全不受腐蚀的优点，可以 制造耐蚀管道、电池电极、海底电缆屏蔽、磁分 离介质及化学工业的催化剂，目前都以及达到了 实用阶段。
1. 非晶态合金 2. 非晶态半导体材料 3. 非晶态超导体 4. 非晶态高分子材料 5. 非晶态玻璃
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1. 非晶态合金
❖ 非晶态合金也叫金属玻璃，它既有金属和玻璃的优 点, 又克服了它们各自的弊病。如玻璃易碎, 没有延 展性。金属玻璃的强度却高于钢, 硬度超过高硬工具 钢, 且具有一定的韧性和刚性, 所以, 人们赞扬金属玻 璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。
半导体物理名词解释总结
半导体物理名词解释1.有效质量：a 它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用 b 可以由实验测定，因而可以很方便的解决电子的运动规律2.空穴：定义价带中空着的状态看成是带正电荷的粒子，称为空穴意义a 把价带中大量电子对电流的贡献仅用少量的空穴表达出来b金属中仅有电子一种载流子，而半导体中有电子和空穴两种载流子，正是这两种载流子的相互作用，使得半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件3.理想半导体（理想与非理想的区别）：a 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动b 半导体材料并不是纯净的，而是含有各种杂质即在晶格格点位置上存在着与组成半导体材料的元素不同其他化学元素的原子 c 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷4.杂质补偿：在半导体中，施主和受主杂质之间有相互抵消的作用通常称为杂质的补偿作用5.深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带较远，他们产生的受主能级距离价带也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质为深能级杂质6.简并半导体：当E-E F》k o T不满足时，即f（E）《1，[1-f（E）]《1的条件不成立时，就必须考虑泡利不相容原理的作用，这时不能再应用玻耳兹曼分布函数，而必须用费米分布函数来分析导带中的电子及价带中的空穴的统计分布问题。
这种情况称为载流子的简并化，发生载流子简并化的半导体被称为简并半导体（当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂，这种半导体即称为简并半导体7.热载流子：在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子与晶格系统不再处于热平衡状态。
温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引入载流子的有效温度T e来描写这种与晶格系统不处于热平衡状态时的载流子，并称这种状态载流子为热载流子8.砷化镓负阻效应：当电场达到一定値时，能谷1中的电子可从电场中获得足够的能量而开始转移到能谷2，发生能谷间的散射，电子的动量有较大的改变，伴随吸收或发射一个声子。
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§9 非晶态半导体晶体：原子是周期排列的非晶体：与晶态相比不存在长程的有序性非晶态半导体是半导体领域中的一个重要方面，也是非晶态物理，非晶态物理的研究可以追溯到1968年，现在已经大范围的应用，主要是非晶硅太阳能电池，1977年Mott主要以他在非晶态半导体理论研究中的成绩获得了诺贝尔奖金。
研究非晶态半导体理论的意义，绝不仅仅局限于对于一些物理现象的理解和描述，它对如何认识固体理论中的许多基本问题有着重要的影响。
它是目前理论物理研究的前沿之一，是无序系统理论的重要组成部分，同时它的研究成果已经应用于晶体表面，界面，缺陷，杂质等研究之中。
非晶态半导体材料包括的范围很广，目前研究最多的是非晶硅。
今天主要讲非晶硅。
§9.1 非晶的结构非晶半导体都是以共价键结合为主的,共价结合的特点是具有方向性和饱和性,也就是说各种元素原子能形成多少共价键,以及共价键间的几何方位,都有确定的规律,这就使得非晶态半导体的结构仍然保持近程的有序性，与晶态相比，只是不存在长程的有序性。
晶体硅原子形成共价结合时，价电子进行SP3杂化，形成沿正四面体四个顶角方向的共价键，任意两个键夹角109 18′非晶也是这种正四面体配置，只是在非晶硅中，键角和键长有不同程度的畸变，这种畸变使硅不再存在长程的周期性。
H在非晶硅的结构中占有一定的比例:例:SiHHSi从(110)面的原子投影图看,晶体硅组成一系列六原子环,而在非晶硅中,由于键角和键长有一定程度的畸变,不再存在有一定长度的周期性,这是硅原子除了组成六原子环外,还组成五原子环,七原子环等.结构特点:1长程无序,短程有序,在结构上,非晶态半导体的组成原子没有长程有序性,但由于原子间的键合力十分类似于晶体,通常只保持着几个晶格常数范围内的短程有序,简单的说,非晶半导体结构是长程有序,短程有序.2连续共价键无序网络对于大多数非晶态半导体而言,其组成原子是共价键结合在一起,形成一种连续的共价键无规网络,所有的价电子都束缚在键内,并满足最大成键数目的8_N规则,称此为键的饱和性.N为原子价电子数.3化学组分的无序性非晶态半导体可以部分实现连续的物性控制,当连续改变组成非晶态半导体的化学组分时,其比重相变温度,电导率,禁带宽度都随之变化,这为探索新材料提供了广阔的天地.4在热力学上处于亚稳状态非晶半导体在热力学上处于亚稳状态,在一定的条件下,可以转变为晶态.这是因为非晶态半导体比其相应的晶态材料有更高的晶格位能(自由能)5 性能重复性差非晶态半导体的结构,电学与光学性质十分灵敏的依赖于制备条件和制备方法，与制成材料的历史情况有关，因此，性能重复性差。
6 物性的各向同性非晶态半导体的物理性质是各向同性的，这是因为它是一种共价键无规则网络结构，不受周期性的约束。
§ 9.2 非晶态半导体的能带回顾晶体的能带：EcEvEP(E)P(E)晶体半导体导带底，价带顶附近的态密度函数晶体中电子态的能量本征值分成一系列能带，对晶态半导体最重要的是导带和价带，导带和价带之间存在禁带，在能带中电子能带是非常密集的，形成准连续分布，为了概述这种情况下的能级分布情况，通常引入能态密度函数 （E ），在E —E+dE间隔内的状态数为 （E ）dE 。
在非晶态半导体中，也存在一系列能带，能带的存在不依赖于晶体的周期性。
目前的研究表明，能带的基本情况主要取决于近程的性质。
主要表现在非晶态半导体的能态密度存在着尾部，是非晶态半导体的本征性质，它是由无规则网络中键的畸变造成的。
导带中，E 〉Ec 是扩展态E A 〈E 〈Ec 为定域态价带中，E 〈Ev 是扩展态Ev 〈E 〈E B 是定域态E E EE EcE A E)E)Ec ，Ev 分别表示导带和价带中扩展态和定域态的分界。
当电子处于定域态时，电子只能通过与晶格振动相互作用交换能量，才能从一个定域态跳到另一个定域态，进行跳跃式导电。
因此，当T→0K时，定域态中电子迁移率为零，而扩展态中的迁移率为有限值，所以扩展态和定域态的分界又称为迁移率边缘。
非晶态半导体中的缺陷能级晶态半导体中的缺陷，如杂质，空位，位错等，往往在禁带中引入缺陷能级，它们表示电子的束缚态在非晶半导体中也是一样。
由于非晶态半导体中缺陷密度大，在禁带中引入大量的缺陷定域态。
这些定域态的能级形成窄的能带。
E)反映在能态函数上，如上图所示，根据W.E.spear等人的实验,认为非晶硅中通常存在双峰.如图中Ex,Ey.Ex为受主型的缺陷态,也就是说,这些能态上仅有电子占据时,呈现中性而当这些能态上占有电子时,呈带负电状态Ey为施主型缺陷,也就是当占有电子时,呈中性钻状态,当不被电子占据时,呈带正电状态.如果这两个峰有交叠,就会有些施主型缺陷态的电子转移到受主型缺陷态上,分别呈现带正电荷和负电荷.如果缺陷态密度足够大,这些缺陷态中既占有电子又往往不能填满,这就意味着费米能级E F处于这种定域的能带中,而且E F不大随温度变化,这种现象叫做＂钉扎＂现象．（１）代为定域态被认为是非晶半导体的本征性质．它是无规则网络中键的畸变造成的．（２）缺陷能级定域态被认为与悬挂键，杂质掺杂有关悬挂键是非晶半导体的基本结构特征．Ｓｉ和Ｇｅ等四面体配位的半导体在形成共价结合时，价电子进行ＳＰ３杂化然后成键，它们的成键态对应固体的价带，而反键态对应固体的导带．在悬挂键上只有一个未成对电子．它在禁带中产生缺陷能级．这种悬挂键有两种可能的带电状态．①释放掉未成键的电子成为正电中心，这是施主态．②接受第二个电子成为负电中心，这是受主态．（在Ｇｅ，Ｓｉ中受主能级比施主能级高，这时因为施主能级表示的是悬挂键上有一个电子占据的情况，受主能级表示的是悬挂键上有两个电子占据的情况）§9.３非晶态半导体的电学性质直流电导在分析非晶态半导体的电导时，应注意以下两个方法：第一，晶态半导体的导电主要是靠导带中的电子或价带中空穴，（除高掺杂的情况外，此时还要记入杂质带导电而在非晶态半导体中存在着扩展态，带尾定域态，禁带中的缺陷定域态．这些状态的电子（或空穴）都可能对电导有贡献，因此需同时分析．第二，晶态半导体中的费米能级通常是随温度变化的，而是晶态半导体的费米能级是钉扎在禁带中的，基本上不随温度变化．①禁带中缺陷定域态的电导定域态之间的导电机构是跳跃式的，电子从一个定域态转移到另一个定域态依赖于电子－晶格的相互作用，电子与晶格相互作用，交换能量，吸收一个或多个声子，这是一个热激活的过程．跳跃几率Ｐ可写为：Ｐ＝γＰｈｅｘｐ（－２αＲ）ｅｘｐ（－Ｗ／ｋＴ）其中γＰｈ代表声子的振动频率，大约为１０１２／ｓｅｃｅｘｐ（－２αＲ）代表定域态之间波函数重叠大小的影响，若两定域态之间的距离Ｒ越大，则跳跃的几率越小，Ｗ代表跳跃过程中需要的能量．我们把电子在定域态之间的跳跃看成是布朗运动．根据布朗运动的统计理论，可知扩散系数为Ｄ＝ＰＲ２Ｒｗｅｉ每一次跳跃在空间移动的平均距离，根据爱因斯坦关系可以得到迁移率μ＝ｑＤ／ｋＴ＝ｑＰＲ２／ｋＴ＝ｑＲ２γＰｈｅｘｐ（－２αＲ）ｅｘｐ（－Ｗ／ｋＴ）／ｋＴ对于禁带中缺陷定域态的电导，由于费米能级处于缺陷能级定域态的能级之中，如同金属中的电导一样，只是在费米能级附近ｋＴ范围内的电子才对电导有贡献。
对导电性有贡献的电子浓度近似表示为：ρ（ＥＦ）ｋＴ，其中ρ（ＥＦ）为ＥＦ处能态密度函数，因而得出电导率σ＝ｎｑμ＝ρ（ＥＦ）ｋＴｑｑＰＲ２／ｋＴ＝ρ（ＥＦ）ｑ２Ｒ２γＰｈｅｘｐ（－２αＲ）ｅｘｐ（－Ｗ／ｋＴ）／ｋＴ在较高温度下跳迁市在禁磷的缺陷定域态之间进行的，Ｒ就表示缺陷定域态之间跳迁所需平均能量。
σ∝ｅｘｐ（－Ｗ／ｋＴ）②导带（价带）扩展带电导扩展带中的导电机构和晶态半导体相似，只是非晶态半导体中，结构畸变和缺陷是迁移率的数值降低。
例：Ｎ型材料σ＝σｏｅ－（Ｅｃ－Ｅｆ）／ｋＴ在非晶半导体中扩展态的有效能级密度与扩展态迁移率有关．当存在禁带中缺陷定域态时，费米能级被＂钉扎＂在禁带中而不大随温度变化．σ＝σｏｅｘｐ（－Ｅ／ｋＴ）Ｅ＝Ｅｃ－Ｅｆ③导带（价带）带尾定域态电导率由于是定域态间的电导，因而是跳跃式的，和缺陷定域态的电导类似，迁移率μ＝ｑＰＲ２／ｋＴＰ为电子跳跃的几率。
Ｐ∝ｅ－（Ｗ／ｋＴ）Ｗ１为跳跃的激活能进一步考虑到激发到导带尾部的电子浓度依赖于ｅ－（ＥＡ－Ｅｆ）／ｋＴ因而电导率σ∝μｎα∝ｅｘｐ[－（Ｅａ－Ｅｆ＋Ｗ１）／ｋＴ] 综上所述，σ＝σｏｅ－（Ｅｃ－Ｅｆ）／ｋＴ＋σ１ｅｘｐ[－（Ｅａ－Ｅｆ＋Ｗ１）／ｋＴ]＋σ２ｅ－（Ｗ／ｋＴ）（只适合温度比较高的情况下，对极低温度下，还要考虑变程跳跃电导）§9.4 非晶态半导体的光学性质§9.4.1 光吸收晶体半导体中最重要的光吸收过程是激发电子自价带到导带之间的跃迁,这称为半导体的本征吸收.EcEv由于价带和导带之间存在禁带光子的能量需符合hν>Eg,也就是说对应本征吸收的光谱在低额,(长波长)方向存在一个边界ν0(λ0,长波限)通过本征吸收边的测量和分析可以得到Eg.(用这种方法,测得的禁带宽度称为光学禁带宽度) 晶态半导体的本征吸收分为两种①价带顶和导带底在R 空间中的相同点,成为直接跃迁.②价带顶和导带底不在相同点,称为间接跃迁.间接跃迁必须有绳子参与.对非晶态半导体,于晶态情况的近程序是相同的,这就使得二者的基本能带结构相似,因而本征吸收谱也没有很大变化.差别在于本征吸收的位置有些移动Eg*非晶态晶态(hw)由于非晶态中不存在长程的周期性,荷的波矢K不再是好的量子数,因而不再有直接跃迁和间接跃迁之分.。